Úvod do problematiky nanotechnologií
03.02.2014 20:07
Úvod do problematiky nanotechnologií
(Roman Kubínek a Vendula Stránská)
Žijeme v 21. století, v době, která nám nabízí nejrůznější možnosti technického
rozvoje od aplikací výpočetní techniky, přes moderní léčebné metody až po cestování do
vesmíru. Dokonalejší a výkonnější technika se vyvíjí s tím, jak se rozšiřují hranice
poznání člověka. Od poloviny 20. století se stala aktuální oblast nanotechnologií, která
pracuje s nanostrukturami a snaží se sestrojit zařízení na molekulární úrovni, tak jak to od
pradávna dělá samotná příroda.
Cílem tohoto příspěvku je předložit souhrnný přehled dosavadních poznatků v
oblasti nanotechnologií. Vzhledem k dynamice celého vývoje je však třeba chápat tento
text pouze jako úvod do problematiky nanotechnologií.
1. Počátky nanotechnologií
Jedním z prvních průkopníků této vědní disciplíny byl americký vědec a nositel
Nobelovy ceny za fyziku Richard Philips Feynman. Ve své přednášce There's Plenty of
Room at the Bottom (Tam dole je spousta místa) v roce 1959 se ptal: " Proč ještě
neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou
hlavičku? ". V přednášce zmínil možnost manipulace s molekulami a atomy. Tehdy
nazýval tento obor mikrotechnologií. Na jeho počest je každoročně udělována
Feynmanova cena za přínos v oboru nanotechnologie.
Termín nanotechnologie se objevil později v roce 1974. Japonský fyzik Taniguchi
jím označil novou měřící metodu, která umožňovala výrobu součástek s přesností na
nanometry. V 70. letech na tyto myšlenky navázal americký fyzik K. E. Drexler. Ve svém
článku o molekulárním inženýrství navrhl využít proteiny jako základní stavební kameny.
Současně upozornil na pozitivní i negativní stránky molekulární nanotechnologie. Ve své
knize "Stroje stvoření - nástup éry nanotechnologie" z roku 1986 popisuje svět
miniaturních systémů, nanorobotů, kteří by se chovali podobně jako živé organizmy, měli
by schopnost reprodukce, vzájemné komunikace a sebezdokonalování. Tyto
"neuvěřitelné" představy dál rozvíjel americký fyzik Timothy Leary. Podle něj
nanotechnologie jednou umožní například vytvořit z prachu a slunečního svitu předmět.
Ve své době byly tyto myšlenky považovány spíše za science fiction.
V druhé polovině 20. století probíhaly výzkumy orientované na poznávání
vlastností základních stavebních prvků hmoty a jevů projevujících se na atomové a molekulární úrovni. Hlavní zájem byl tedy orientován na poznání způsobů, jakými
příroda vytváří rozmanité struktury. Jedním z nejvýznamnějších objevů 80.let se staly
přístroje na pozorování a manipulaci s atomy a molekulami - rastrovací tunelový
mikroskop SPM a mikroskop atomárních sil AFM. Pokrok šel stále více dopředu, od
výroby čipů velké integrace s rozměry 100 nm, přes obrábění povrchů s přesností na
nanometry, až po využití nanostruktur v medicíně a biotechnologiích. A tak se zrodil nový
interdisciplinární obor - nanotechnologie.
2. Pojem nanotechnologie a jejich rozdělení
Hovoříme-li o nanosvětě, máme na mysli oblast částic a struktur, které se
rozměrově pohybují v intervalu mezi 1 nm až 100 nm. Označujeme je jako nanostruktury
a považujeme je za základní stavební jednotky nanomateriálů. Zkoumáním jejich
vlastností se pak zabývá nanověda. Její hranice se však nedá zcela přesně vymezit.
Zahrnuje oblasti fyziky pevných látek, chemie, inženýrství i molekulární biologie.
Nanotechnologií bychom tedy mohli definovat jako interdisciplinární a průřezovou
technologii zabývající se praktickým využitím nových a neobvyklých vlastností
nanomateriálů pro konstrukci nových struktur, zařízení a vytváření materiálů.
S tím souvisí jejich praktické využití k tvorbě látek specifických vlastností.
Nejedná se o zcela nový vědní obor, nýbrž o novou oblast soustřeďující klasické vědní
obory.
Lidé objevili svět nanotechnologií teprve v polovině 20. století, ale příroda toto
tajemství zná a používá už celá tisíciletí při tvorbě živé a neživé přírody. Většina
životních procesů probíhá v nanorozměrech. V tomto smyslu se pro vědu stává příroda
nesmírně bohatým zdrojem inspirací, a proto soustřeďuje svůj zájem na vytváření struktur
podobných vlastností, které pak uplatní ve všedním životě. Příkladem takových
přírodních nanotechnologií může být biomineralizace či stavba chromozomu s
molekulami DNA, sloužící jako velkokapacitní paměť nanometrických rozměrů. Vědní
disciplína zabývající se využitím biomateriálů, či vytváření zařízení na biologických
principech, nazýváme biomimetika, resp. bionanotechnologie.
V současné době lze rozdělit nanotechnologie do osmi hlavních oblastí:
I. Nanomateriály :
• nanoprášky, nanočástice,• kompozitní materiály obsahující nanočástice,
• materiály s uhlíkovými trubicemi nebo fullereny,
• tenké vrstvy,
• nanostrukturní kovy a slitiny, nanokeramika,
• polymerní nanokompozity, polymerní nanomateriály.
II. Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, mikro a nanoelektronika:
• nanoelektronika, materiály a zařízení,
• optoelektronika (fotonika),
• optické materiály a zařízení,
• magnetické materiály a zařízení, spintronika,
• organická fotonika,
III. Nanobiotechnologie, nanomedicína:
• zapouzdřování léků,
• cílená doprava léků,
• tkáňové inženýrství,
• biokompatibilní materiály a vrstvy,
• molekulární analýza, analýza DNA,
• biologicko-anorganické rozhraní a hybridy,
• diagnostika, molekulární rozpoznávání.
IV. Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech:
• senzory využívající nanomateriály,
• biomolekulární senzory.
V. Nanotechnologie pro (elektro) chemické technologie zpracování:
• filtrace,
• katalýza nebo elektrody s nanostrukturními povrchy,
• chemická syntéza, supramolekulární chemie.
VI. Dlouhodobý výzkum s širokou aplikací:
• samosestavování ( self-assembly),
• kvantová fyzika, kvantové jevy v nanorozměrech,
• nano a mezoskopické systémy,• chemické materiály, nanochemie,
• ultra-přesné inženýrství.
VII. Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií:
• analytické přístroje, metody techniky a zkoumání,
• výroba prášků (nanočástic) a jejich zpracování,
• zařízení a metody pro vytváření objektů (patterning , vytváření vláken apod.),
• ultra-přesné obrábění, nanometrologie.
VIII. Zdravotní, ekologické a sociální aspekty nanotechnologie:
• toxicita nanočástic,
• ekologické aspekty,
• sociální a etické aspekty,
• standardizace,
• patentování,
• prognózy,
• popularizace nanotechnologie,
• obchod s nanovýrobky.
3. Výzkum a aplikace nanotechnologií
Nanotechnologie mají široké spektrum oblastí využití. Obecně se dá říct, že se týká
všeho, co je kolem nás. Nanotechnologie sice patří k novým vědním disciplínám, ale
některé její metody uměl člověk používat už mnohem dříve, aniž by si je uvědomoval.
Patří mezi ně techniky využití nanočástic. Například ve středověku používali skláři jako
přísady prášky různých kovů a látek pro dosažení zajímavého barevného efektu skla.
Jednalo se především o zlato, stříbro, síru a selen. Bylo zjištěno, že tyto látky se ve skle
vyskytují ve formě nanokrystalů. Kovových nanokrystalů se též využívalo pro vytvoření
lesku glazové keramiky ve 13. – 16. století. Dalším příkladem je použití sazí jako plniva
při výrobě pneumatik. Jedná se o částice amorfního uhlíku o rozměrech 10 – 500 nm.
V současnosti se nejvíce dotýká a realizuje v oblasti materiálů, chemie,
zdravotnictví, informační a komunikační technologie, energetiky a péče o životní
prostředí. 4.1. Nanomateriály
Nanočástice, nanovrstvy
V oblasti nanomateriálů se využívají především částice ve formě nanoprášků. Jedná
se např. o nanoprášky TiO2 a ZrO2 používané v kosmetických krémech, pleťových vodách
a opalovacích krémech. S přísadou nanočástic TiO2 se vyrábějí laky s reflexními
vlastnostmi. Výrobce skel použili TiO2 v podobě nanočástic pro optimální zatmavení.
Sklo je dokonce schopné odrážet dobře sluneční paprsky.
Nanočástice Fe2O3 se používají jako základní přísada do rtěnek a líčidel (UV filtr).
Tento prášek lze též použit pro detoxikaci kontaminovaného území.
V „Centru pro výzkum nanomateriálů (CVN)“ na Univerzitě Palackého
v Olomouci se zkoumají metody syntézy nanočástic oxidů železa pomocí termicky
indukovaných reakcí v pevné fázi, včetně příprav vzácných strukturních forem, jako jsou
amorfní Fe2O3, β- Fe2O3 a ε- Fe2O3, s předem požadovanými vlastnostmi. Řeší se zde i
otázka aplikací nanomateriálů (nanočástic) např. jako barevné pigmenty pro přípravu
průmyslových barviv či jako přísada do barevných skel, jako katalyzátory pro řadu
chemických reakcí, magnetická záznamová média či počítačové paměti. Katalytické
vlastnosti nanoprášku Fe2O3 se dají využít v raketovém, vojenském průmyslu a
automobilovém průmyslu při konstrukci dokonalejších airbagů. Mimo jiné se zde vědci
věnují rozvoji analytických a měřících metod pro výzkum nanotechnologií. Magnetické
vlastnosti se dají využít v lékařství v nových metodách filtrování, detoxikace tekutin a
krve, nebo jako kontrastní činidla pro tělní orgány při zobrazování metodou magnetické
rezonance (MRI).
Vědci pokryli nanočásticemi SiO2 povrch skla. Přítomnost nanočástic zabraňuje
srážení vody na skle, a tím zůstává stále suché a „nepotí se “. Speciální vlastnost takto
upraveného skla se dá využít např. pro skla automobilů, brýlí či u koupelnových zrcadel.
Na trh byly uvedeny obkladačky s povrchovým filmem z nanočástic, na nichž se nedrží
voda ani špína.
Na řezné nástroje či některé části strojů se nanášejí nanostrukturní povlaky.
Nanovrstva chrání nástroj před oděrem, opotřebením, či povolením šroubu apod. Pro
tento účel se používají vrstvy z uhlíku, jež mají senzorické vlastnosti. Působí-li na ně tlak
či síla, mění se jejich elektrický odpor. Toho lze využít pro diagnostiku a kontrolu strojů.
Např. uvolní-li se šroub, vyšle uhlíková vrstva jeho podložky signál do řídícího
elektronického systému. Nanočástice jsou využívány pro leštění optických materiálů a elektronických
substrátů (např. Si, GaAs). Nanočástice karbidu křemíku, diamantu a karbidu bóru se
používají pro lapování součástek (velmi přesné leštění) s cílem omezit vlnitost povrchu
na 1- 2 nm. Výroba těchto součástek s vysoce kvalitními povrchy mají velký význam pro
miniaturizaci elektronických zařízení a rozvoj optoelektronických systémů.
Nejvýznamnější využití nanomateriálů najdeme v oblasti informačních technologií
při výrobě křemíkových tranzistorů, která používá řízené depozice vrstvených struktur
pouze několik atomů tenkých přibližně 1 nm. Laterální rozměry kritické délky hradla
tranzistoru dosáhly 180 nm a podařilo se některým výrobcům dosáhnout hodnoty 90 nm.
Čím je délka hradla kratší, tím lze vytvořit menší, rychlejší a energeticky účinnější
tranzistory. S tím souvisí také zlepšení výkonnosti digitálního zařízení a snížení jeho
ceny.
Další využití vrstvených heterostruktur nalezneme u čtecích hlav standardních
harddisků. Přítomnost nanostruktur je příčinou vzniku velkého magnetického odporu,
který významně zvyšuje jejich paměťovou kapacitu a snižuje jejich cenu.
Fullereny, uhlíkové trubičky, nanopěna
Začátkem 90. let byly objeveny kulovité uhlíkové molekuly, tzv. fullereny, které
nastartovaly koncepci nanotechnologií. Fullereny byly objeveny britským profesorem
Harrym Krotooem a americkým fyzikem Richardem Smallym. Použili k tomu grafitový
disk, který odpařovali laserem, páry chladili v proudu hélia, a pak měřili jejich spektra.
V nich vyčetli přítomnost stabilních velkých molekul o složení C60 a C70. Za tento objev
dostali Nobelovou cenou za chemii.
V molekule C60 je šedesát atomů uspořádáno pravidelně na povrchu jedné společné
koule. Z obr. 1 je vidět, že vazby mezi atomy uhlíku vytváří na povrchu koule vzor jako u
fotbalového míče. Název fullereny právě pochází od tohoto seskupení podle amerického
architekta R. Buckminstera Fullera, který podobný typ struktur používal při stavbě
výstavních hal. Obr. 1 Fuleren C60 - počítačem vytvořený obrázek
Postupně byla zvládnuta výroba těchto molekul a zájem byl soustředěn na
zkoumání jejich vlastností, a to jejich supravodivost, tvrdost (někdy větší než diamant),
magnetické chování a léčivé účinky chemických derivátů fullerenů.
V roce 1991 Japonci zjistili, že lze vyrobit i fullereny válcového tvaru. Jsou to
velmi dlouhé a úzké čistě uhlíkaté nanotrubky, které mohou vykazovat mechanickou
pevnost 50 až 100 krát vyšší, než má podstatně těžší ocel. Mohou vést elektrický proud i
teplo, je to dosud nejperspektivnější materiál, který mají nanotechnologie k dispozici.
Ukázalo se, že některé nanotrubičky se mohou chovat jako polovodiče, což vedlo
k vytvoření molekulárního tranzistoru, který funguje za pokojové teploty. Tím byla
otevřena cesta molekulové elektronice, miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení
rychlosti počítačů.
Obr. 2 Model nanotrubičky
Ve výrobě nanotrubek v současnosti došlo k velkému pokroku. Podařilo se vytvořit
trubičku s délkou 4 cm. Nanotrubky mohou změnit i oblast úschovy energie a vést
k rozvoji alternativních pohonů vozidel založených na vodíku. Z nanotrubiček se podařilo vyrobit superpevnou fólii, která má velmi dobré
mechanické vlastnosti (zejména velká pevnost), je průhledná a vodivá. Uplatnění nachází
při výrobě skel. Sklo potažené touto fólií je velmi pevné a díky její vodivosti ho lze
vyhřívat. V elektrotechnice by se dala použít na výrobu lepších kondenzátorů (více
namotaných závitů při stejném objemu díky velmi malé tloušťce), ohebných displejů
(fólie umí zářit jako zářivka).
Fyzikům se podařilo vytvořit novou formu uhlíku, tzv. nanopěnu, působením
laserových pulsů na uhlíkový terčík v argonové atmosféře, zahřáním na teplotu 10
4
°C.
Její struktura je tvořena sítí pospojovaných uhlíkových nanotrubiček dlouhých 5 nm, viz
obr.3. Jedná se o další formu uhlíku, vykazující překvapivé feromagnetické vlastnosti,
které za pokojové teploty po pár hodinách vymizí, ale při nižších teplotách je lze
dlouhodobě udržet. Tato vlastnost by se podle názoru některých fyziků dala v budoucnu
využít například v medicíně při léčbě rakoviny. Vstříknutím látky do nádoru by bylo
možné zničit jej lokálním zvýšením teploty nanopěny po pohlcení infračerveného záření,
zatímco okolní zdravá tkáň by zůstala neporušena. Vstříknutím nanopěny do krevního
oběhu by se mohl metodou jaderné magnetické rezonance sledovat průtok krve tkáněmi.
Tyto a další představy aplikace a vlastnosti nanopěny jsou v současné době ve fázi
výzkumu.
Obr. 3 Uhlíková nanopěna, snímek pořízený v elektronovém mikroskopu
4. 2. Nanoelektronika
Nanoelektronika, jak bylo zmíněno v předchozí části, se zabývá uplatněním a
využitím uhlíkových trubiček pro výrobu tranzistorů, displejů, pamětí a dalších
elektronických zařízení, která mají díky nanotrubičkám výrazně lepší vlastnosti, než
dosud vyráběné součástky. Na obr. 4 je znázorněn model tranzistoru využívající nanotrubičku (červeně) o
průměru 1 nm. Žlutou barvou jsou označeny hlavní platinové elektrody, které jsou
nanesené na ionizující vrstvu SiO2 (modře). Vzdálenost mezi elektrodami je 400 nm.
Proud procházející trubičkou je řízen napětím hradla, které na obrázku není znázorněno.
Obr. 4 Polem řízený tranzistor využívající uhlíkovou nanotrubici s průměrem 1 nm
Počítačové firmy spolupracují v současné době s mnoha univerzitami po celém
světě na výzkumu a vývoji procesorů, které se budou vyrábět tzv. „technologií 90 nm“.
Dnes se používá 130 a 150 nanometrové technologie. Miniaturizace se však netýká pouze
procesorů, ale i pamětí, které budou mít větší kapacitu při stejných resp. menších
velikostech.
Byl vyvinut nový typ barevných plochých displejů mobilních telefonů, tzv.
nanoemisní displeje (NED), jejichž výroba je opět založena na metodě použití
nanotrubiček, které se nechají růst přímo na skle displeje. Díky této technologii je výroba
displejů výrazně levnější, monitory mají vyšší životnost a lepší rozlišení obrazu.
Současné vzorky NED displejů mají 5´´ úhlopříčky a jsou součástí větších 42´´ displejů s
rozlišením 1280 x 720 pixelů, tenké pouze 3,3 mm, mají velmi široký úhel pohledu a
rychlou reakční dobu. Předpokládá se, že tato technologie brzy nahradí současnou
generaci plochých monitorů počítačů. V roce 2004 vytvořila firma Samsung prototyp
ploché obrazovky obsahující uhlíkové trubičky s úhlopříčkou 38´´. Obrazovky mají menší
spotřebu energie a ostřejší obraz.
Technika nanášení povrchových vrstev ve vakuu je dosud jednou
z nejpoužívanějších metod výroby mikrostruktur různého druhu. V mikroelektronice se
tak, v kombinaci s optickými, nebo elektronovými litografickými metodami, vyrábí tranzistory, či optické spínače a rezonátory miniaturních rozměrů. Tato metoda však má
své fyzikální meze spojené např. s vlnovou délkou používaného světla, či odvodem tepla
z čipu. Snaha čím dál více zmenšovat rozměry elektronických součástek má dva
podstatné důvody: zvětšit hustotu součástek na čipu a získat nové vlastnosti dané
kvantovou mechanikou.
Nová technologie výroby mikrostruktur využívá tzv. kvantové tečky (quantum
dots), což jsou ohraničené oblasti polovodiče o průměru 30 nm a výšce 8 nm, schopné
v důsledku nižší energie ve srovnání s energií vodivostního pásu okolního polovodiče
vázat elektrony. Mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie, podobně jako je tomu
u atomu. Každá tečka má omezenou kapacitu určenou jejími rozměry. Elektrony uvnitř
teček vykazují kvantové vlastnosti. Kvantové tečky se využívají ve speciálních
součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony.
K výrobě kvantových teček je nutné, aby vzdálenosti mezi jednotlivými hladinami
jejího energetického spektra byly větší, než tepelná energie fononů (vibrační kvantum,
kvazičástice, šířící se krystalovou mříží pevné látky), což odpovídá hodnotě asi 25 meV
při pokojové teplotě. Kdyby tomu tak nebylo, elektrony uvnitř teček by mohly
přeskakovat mezi hladinami vlivem tepelného šumu. Nanášená vrstva materiálu (InAs)
roste nejprve se značným mechanickým napětím, po dosažení kritické tloušťky několika
nanovrstev se nanášené atomy začnou shromažďovat ve shlucích, čímž se minimalizuje
napětí. Takový stav je zachycen na obr. 5
Obr. 5 Vrstva kvantových teček (InAs) zobrazená AFM mikroskopem
Kvantové tečky našly uplatnění zejména pro konstrukci optoelektronických
součástek. Například v kvantové kryptografii (odvětví moderní informatiky) se pro
generaci jemných světelných impulsů o energii odpovídající jednomu fotonu používají
jednofotonové světlo emitující diody, které se vyrábí na základě modifikace struktury
dosavadních LED diod vrstvou s kvantovými tečkami. Jedná se o optoelektronické součástky, jenž na základě elektroluminiscence, jsou schopné emitovat nekoherentní
monochromatické světlo.
Obr. 6 Znázornění struktury jednofotonové LED diody využívající kvantové tečky
Z obr. 6 je vidět, že emise je umožněna pouze malým otvorem - emisní plochou,
v ideálním případě z jediné kvantové tečky nacházející se pod otvorem. Ostatní kvantové
tečky jsou zastíněné neprůhlednou vrstvou. Experimenty s takto upravenou LED diodou
prokázaly, že již při proudu menším než 20 nA za teploty 5 K docházelo k emisi
monochromatického záření o energii 1,3492 eV odpovídající infračervené oblasti a
speciálními detektory bylo zjištěno, že se emitují jednotlivé fotony po sobě a ne ve
shlucích jako u laserů. Emisi jednotlivých fotonů lze řídit jemnými proudovými pulsy až
do frekvence 200 MHz.
K zařízením využívající kvantové tečky patří jednofotonový detektor (QDFET),
který opět vznikl modifikací tranzistoru FET (tranzistor řízený polem) přidáním vrstvy
s kvantovými tečkami paralelně k proudovému kanálu. QDFET tranzistor slouží k detekci
jednotlivých fotonů. Funkce tranzistoru je popsána na obr. 7. Vrstva s kvantovými
tečkami musí být od proudového kanálu vzdálena jen několik nanometrů. Záporné náboje
elektronů zachycených v kvantových tečkách ovlivňují proud protékající kanálem
tranzistoru. Citlivost tranzistoru lze ovlivňovat uvolněním jediného elektronu z kvantové
tečky. Tím se změní velikost protékajícího proudu o měřitelnou hodnotu. Pohltí-li tečka
foton,vzniká pár elektron – díra a elektron je uvolněn.Obr. 7 Struktura jednofotonového detektoru QDFET
Jednofotonové detektory mají na rozdíl od klasických detektorů, jako jsou
fotonásobiče nebo lavinové fotodiody, vyšší dynamický rozsah, vyšší kvantovou
účinnost, menší šum, nevyžadují k provozu vysoké napětí a jsou méně náročné na
konstrukci. Technika jednofotonové detekce poskytuje optimální metody měření stálých
optických signálů a umožňuje podstatně zlepšit různé druhy zobrazovacích technik pro
rentgenové záření, záření radioizotopů i jiných druhů záření, a tím přináší možnosti
širokého uplatnění v lékařské diagnostice, analytické chemii i jiných oborech.
Nejvýznamnější použití jednofotonových součástek však spadá do oblasti přenosu dat,
díky dokonalému bezpečnostnímu přenosu šifrovacího klíče v kvantové kryptografii.
V nedávné době byl schválen patent společnosti Iomega v oblasti nanotechnologie
a optického záznamu dat. Nové médium nesoucí název AO-DVD má 5 krát až 30 krát
větší přenosovou rychlost, lze na něj uložit 40 až 100 krát více informací, než dovolují
současná média. AO-DVD může mít kapacitu až 500GB, přitom cena takového DVD by
přibližně zůstala stejná jako mají současná média.
Počítačová společnost Hewlett-Packard otevřela cestu ke kvantovým počítačům,
když se jejímu vědeckému týmu podařilo vyrobit nano - zařízení, které by v budoucnu
mělo nahradit současné tranzistory. Základním krokem k výrobě čipů je technologie,
která i bez tranzistoru umožní obnovení signálu a jeho inverzi. Jedná se v podstatě o
překřížené platinové dráty s molekulami kyseliny. Funkci tranzistoru bude nahrazovat
jeden vodič překřížený dvěma kontrolními, které budou sloužit i jako spínače. Vysláním
elektrických impulsů může tato technologie provádět základní logické operace AND,
NOT a OR. Velikost jednotlivých spojů se bude pohybovat okolo 2 nm. Výroba
základních prvků přitom bude jednoduchá a po-měrně levná.Obr. 8 Svítící clustery
Na obr. 8 je vidět světlo od jednotlivých emitujících molekul, z nichž každá tvoří
nejmenší elektroluminiscenční zdroj na světě. Sledováním výstupu emitovaného světla ze
dvou korelovaných molekul, lze spolu pulsy sčítat a vytvářet jednoduché základní sčítací
operace. Clustery mohou pracovat ve dvoustavové logice s funkcemi AND, OR, NOT a
XOR, působí-li na ně různé impulsy.
4. 3. Nanomedicína, biotechnologie
V oblasti nanomedicíny se podařilo syntetizovat liposomální struktury - lipidové
koule o průměru 100 nm, umožňující zlepšenou cílenou distribuci terapeutických látek.
Používají se k zapouzdření protirakovinných léků. Vědci vyvinuli novou metodu
k odhalení nádoru a jeho lokalizaci v těle. Jedná se o šetrnější zobrazovací metodu
využívající nanočástice a infračervené světlo, která by mohla nahradit dosud používaná
ionizující záření. Polymerní nanočástice obsahují fluorescenční barvivo a bílkoviny, které
jsou schopny se vázat na určité typy nádorových buněk. Částice se koncentrují na
povrchu nádoru a po ozáření je pak vidět jejich fluorescenci.
K likvidaci nádorů se s úspěchem dají využít křemíkové kuličky o rozměru 100
nm, potažené 10 nm vrstvičkou zlata. Tyto kuličky jsou vpraveny k nádoru, kde jejich
přítomnost v těle nepředstavuje sama o sobě zdravotní riziko. Po ozáření jejich povrchu
laserovým paprskem se kuličky prudce ohřejí a spálí nádorové buňky. K ničení
zhoubných buněk je třeba ohřát nanočástice pouze na 55 °C. Vývoj těchto zlatých „nanostřel“ pokračuje dál. Ty jsou nyní schopné se sami
navádět na cíl. K tomu jim pomáhá protilátka navázaná na zlatém obalu, přes kterou se
nanokuličky zakotví na povrchu rakovinné buňky. Mikroskopické střely se po aplikaci do
krve hromadí pouze v nádorových buňkách, které jim poskytují vhodné uchycení. Lékaři
plánují, že by tyto vylepšené nanostřely měly být schopné likvidovat i velmi malé
metastázy, které nejsou schopni nyní odhalit. Na obr. 9 je znázorněn princip likvidace
nádorových buněk nanostřelami.
Obr. 9 Likvidace nádoru pomocí nanokuliček
Vrstvička zlata na povrchu kuličky umožňuje přeměnit absorbované záření na
teplo. Při dopadu záření na zlatou slupku dochází k rezonanci. Díky této schopnosti lze
nanokuličky naladit na různé barvy laserového záření. Bylo zjištěno, že záření o vlnové
délce 820 nm proniká dostatečně hluboko a nenaráží na žádný odpor uvnitř tkání. Zlaté
nanokuličky jsou zatím testovány laboratorně, ale vzhledem k jejich pozitivním
výsledkům se dá očekávat, že v dohledné době budou používány k likvidaci nádorových
onemocnění u člověka.
Nanotechnologie nalezly využití i pro cílenou dopravu léčiv. Nanofarmacie přinesla
revoluční změnu pro aplikaci léků. Doposud byl nejrychlejší způsob aplikace látky
nitrožilně, což bylo spojeno s bolestivými vpichy a vysokými nároky na sterilitu.
Nanotechnologickými postupy lze vyrobit koloidní roztoky vitamínů, minerálů,
potravinových doplňků a léků ve sprejové formě. Spreje umožní snadnou aplikaci na
sliznici ústní dutiny a přitom mají vysokou účinnost. Magnetické nanočástice jsou využívány při analýze krve, moči a jiných tělních
tekutin, pro urychlení separace a zlepšení rozlišitelnosti. Byly vyvinuty fluorescenční
částice, které tvoří základ nových detekčních technologií pro analýzu infekčních a
genetických chorob a výzkum léčiv.
Pomocí nanotechnologií lze dokonce vyrobit z miniaturních částeček platiny
vysoce výkonné „kovové svaly“. Malého elektrického náboje lze využít k ohnutí
platinového drátku, zkonstruovaného sendvičovým skládáním platinových atomů
s nepatrnými otvory. První kovové svaly, které jsou schopné reagovat na vnější podnět
byly vyrobeny ze slitiny niklu a titanu. Pro využití těchto nanosvalů je zapotřebí
vyvinout velký elektrický proud při napětí až 100 V, který by se přeměnil na tepelnou
energii. Metody, kterými by šlo energii usměrňovat a využít ji ve svalech, by však
vyžadovaly velmi objemné přístroje vpravené do organismu. Oproti tomu platinové
nanosvaly mají stejný účinek bez velkých objemů tepla. Je to možné díky jejich
milionkrát větší dostupné ploše povrchu, která umožňuje slitině ukládat velký elektrický
náboj, přičemž k jejímu ohnutí stačí napětí jen několika voltů. I když nanosval má
hmotnost pouhý jeden gram, může zvedat až 140 gramů. Nanosvaly by se daly využít
v mnoha oborech, například u elektronických přístrojů, hraček, videokamer, zejména pak
v lékařství, jako náhradu za poškozené svaly a orgány. Další využití by mohly najít svaly
v robotice, díky svým miniaturním rozměrům, malé hmotnosti a schopnosti vyvíjet velké
množství energie.
V současnosti probíhá výzkum pro využití pěny z nanotrubek v kostních
implantátech, která by se vpravila přímo do kostí. Tím by získaly kosti vysokou pevnost a
zabránilo by se tak jejich zlomeninám. Podstatu tvoří náhrada kolagenu trubičkami, na
nichž by se mineralizovala anorganická složka kostí (hydroxyapatit). Trubičky ale musí
být obohaceny o sloučeniny fosforu a síry, aby se na ně sloučenina mohla navázat.
Otázkou však nadále zůstávají možné toxické účinky trubiček v lidském těle, proto se
provádí testy a pokusy s upravenými trubičkami, nebo obohacenými o látky (např. Fe),
aby je tělo přijalo.
4.4 Oděvní průmysl, sport
Příkladem využití nanočástic v tomto odvětví může být výroba nemačkavých a
nešpinících se bavlněných tkanin, nebo rámů tenisových raket, které jsou zpevněny
uhlíkovými nanotrubicemi. Podobně tenisové míčky, jejichž vnitřní vrstva
z nanokompozitu polymer – jíl zvyšuje jejich životnost. Česká republika má konkrétní zásluhy v oblasti nanotechnologií. Na Technické
univerzitě v Liberci vyvinuli odborníci, jako jedni z prvních na světě, vlákna tloušťky 200
nm. Univerzita ve spolupráci s libereckou firmou ELMARKO vytvořila i prototyp stroje
pro výrobu netkaných nanovláknových textilií. Výrobní technologie nazvaná Nanospider
je založena na principu zvlákňování vodných roztoků polymerů bez použití chemických
rozpouštědel v silném elektrickém poli. Z těchto vláken se dají vyrábět lehké, tenké, a
současně pevné textilie, které jsou porézní, přitom jejich póry jsou dostatečně malé k
tomu, aby jimi nemohly projít bakterie či viry. Tyto textilie mají tedy vysokou filtrační
schopnost a lze je použít pro výrobu superfiltračních textilií pro použití v laboratořích,
chirurgických sálech apod. V medicíně je lze využít ke krytí ran. Jejich struktura je totiž
velmi podobná struktuře buněčné hmoty lidské tkáně. Látka propouští kyslík, brání ve
stupu bakteriím, zajišťuje odtok zánětlivého výtoku z krevních a mízních cest a lze na
jejich povrch navázat antibakteriální a hojení urychlující léčiva. Kromě toho mohou být
využity pro rekonstrukci kůže, kostí, cév, svalů i nervové tkáně, doručování a řízené
uvolňování léčiv či buněk. Výborné schopnosti absorpce zvuku těchto nanotextilií se dá
využít v průmyslu pro odhlučňování interiérů automobilů, letadel či ve stavebnictví. O
nanotextiliích se aktuálně hovoří v souvislosti s ptačí chřipkou. Virus patří do skupiny
ortomixoviry, jejichž genetická informace je uložena v bílkovinném obalu. Rozměry
těchto virů se pohybují kolem 100 nm, a tedy nemohou projít přes strukturu nanotextilí,
jejichž póry mají velikost pouze několika nanometrů. Roušky vyrobené z nanovláken by
nás ochránily před kapénkovým přenosem přes dýchací cesty.
Firma Nanosilver již uvedla na český trh speciální ponožky „impregnované“
částicemi Ag. Ionty stříbrných nanočástic působí antibakteriálně. Ovlivňují látkovou
výměnu bakterií, mají též fungicidní účinky. Na obr. 10 je znázorněn princip, jakým
nanočástice stříbra likvidují bakterie. Částice pronikne přímo do bakterie a reaguje s –SH
skupinami oxidačních metabolických enzymů bakterie, a tím dojde k udušení bakterie. Na
rozdíl od klasických antibiotik, nezískávají bakterie vůči částečkám stříbra odolnost
Obr. 10 Znázornění reakce Ag iontů s enzymy bakterií Kromě antibakteriálních účinků ponožky lépe vstřebávají pot, urychlují hojení ran a
oděrek, zlepšují prokrvení nohou, předcházejí omrzlinám a jsou antialergenní. Ponožky
jsou určeny pro všechny, kteří mají problémy s nadměrným pocením nohou, nebo pro
celodenní chození či pohyb v náročném terénu (např. sportovci, vojáci, policisté, hasiči).
5. Budoucnost nanotechnologií
Výzkum nanotechnologií v současnosti probíhá ve všech průmyslově vyspělých
státech. Zatím se jedná spíše o teoretické poznatky a základní výzkum. Praktické
uplatnění nanotechnologií v širším měřítku je teprve na svém počátku.
V blízké budoucnosti, v horizontu 5 až 10 let se uplatní projekty, které se
v současnosti úspěšně realizují v rámci laboratoří. Týká se to především oblastí
nanomateriálů (nanokompozity, nanotrubičky) a nanočástic, nanomedicíny, elektroniky a
péče o životní prostředí. Zkouší se využití kvantových teček, které se připojí na molekuly,
ke sledování biologických procesů. Usnadnilo by se tak testování protilátek či DNA.
Nanoprášky mají slibnou budoucnost jako katalyzátory chemických reakcí díky své
účinné urychlující schopnosti. Nanočástice se budou využívat také k čištění vod.
Automobilový průmysl zkoumá možnost využití polymerních nanokompozitů na výrobu
dílů, které mají malou hmotnost a přitom velkou pevnost. Stále více se budou používat
nanomateriály v otěruvzdorných a korozivzdorných povlacích, nové keramické materiály
pro výrobu vodních trysek, injektorů, opláštění zbraňových systémů či povlékání elektrod
v energetických zařízeních. V elektronice se budou nahrazovat současné logické obvody
optickými spoji. Nanotrubičky budou využívány pro výrobu pružných obrazovek,
displejů a velkokapacitních pamětí. V energetice se trubičky využijí pro uskladňování
vodíku pro palivové články.
Z hlediska dlouhodobé perspektivy jsou hlavním kandidátem využití výsledků
výzkumu v oblasti nanotechnologií informační a komunikační technologie, jenž nahradí
stávající mikroelektroniku nanoelektronikou. Zde sehrají významnou roli uhlíkové
nanotrubičky a fullereny. Dá se očekávat, že se budou rozvíjet metody výroby tenkých
nanodrátků do nanosenzorů (např. pro detekci chemických a biologicky nebezpečných
látek).
Velké naděje se vkládají do budoucího využití tzv. „extrémní nanotechnologie“,
která zahrnuje manipulaci s atomy a molekulami. Jde o samoreplikující se a
samosestavující se systémy, jenž mohou mít uplatnění v elektronice nebo lékařství. Nanomateriály s vylepšenými vlastnostmi se budou používat při vysoce účinné
katalýze v chemických procesech a při přeměně energie ve fotovoltaických a palivových
článcích, biokonverzi energie či zpracování odpadů a kontrole ovzduší.
Pozadu nezůstane ani nanomedicína. Zde se budou dále vyvíjet nová diagnostická
zařízení, terapeutika, transport léků nebo biokompatibilní materiály pro implantáty a
protézy.
Závěr
Přes jisté obavy z možných sociálních a etických důsledků propojování nano a
biotechnologií se dá očekávat, že nanotechnologie je a bude stále více podporována. O
tom nás přesvědčuje relativně rychlý růst nanotechnologických patentů a publikací za
posledních 20 let. Výzkum je podporován jak z veřejných, tak ze soukromých prostředků
různými obchodními společnostmi a firmami.
Interdisciplinární charakter nanotechnologií vyžaduje hlubokou znalost daného
vědního oboru, současně však i schopnost orientace v jiných disciplínách. Nutnou
podmínkou je umět spolupracovat v týmu a propojovat a aplikovat všechny získané
poznatky do praxe. Z toho důvodu probíhají výzkumy a úpravy učebních osnov na
vysokých školách tak, aby absolventi vysokých škol byli schopni pracovat v tomto oboru.
V poslední době dochází k stále větší popularizaci nanotechnologií. Vznikají nejrůznější
internetové stránky a dokumenty zaměřené na nanotechnologie a pořádají se konference.
Pokusme se tedy poskytnou návrh elementárního textu, vhodného k doplnění
znalostí na středních školách. Nanotechnologie
(návrh učebního textu pro SŠ)
Úvod
V současné době stojí nanotechnologie v popředí zájmu vědeckého bádání.
Odborníci z celého světa vytváří programy, jejichž součástí jsou plány pro další rozvoj
v dílčích oborech nanotechnologického výzkumu. S tím souvisí vysoké nároky na
vzdělanost a dobrou orientaci v disciplínách, které se nanotechnologií dotýkají. Je tedy
zapotřebí více informovat a seznámit každého člověka o jejich podstatě, významu a
uplatnění v běžném životě.
Nanotechnologie zahrnují celé spektrum vědních disciplín, proto by se o nich dalo
hovořit v podstatě v každém z těchto oborů.
Vymezení pojmu nanotechnologie
Nanotechnologie patří do oblasti nanosvěta, do oblasti atomů a struktur o
rozměrech 1 – 100 nm. Soustřeďuje poznatky klasických vědních oborů (fyzika, chemie,
biologie) a využívá je pro tvorbu užitečných materiálů, struktur a zařízení, které mají
v důsledku svých velmi malých rozměrů zcela nové a mnohdy nečekané vlastnosti.
Významným mezníkem v historii nanotechnologií jsou 50. léta 20. století. V té
době se našlo pár odvážlivců, kteří přišli s představou sestrojit zařízení molekulárních
rozměrů. Mezi ně patřil americký fyzik R. Feynman, který se ve své přednášce v roce
1959 (There's Plenty of Room at the Bottom - „Tam dole je spousta místa“) zabýval
myšlenkou manipulace s „molekulárními stroji“ a hovořil o tzv. mikrotechnologii.
Richard Philips Feynman (1918 – 1988), americký profesor
teoretické fyziky na Caltech (California Institute of Technology),
člen londýnské Královské společnosti, Národní akademie věd.
Spolupracoval na vývoji atomové bomby (projekt Manhattan).
Jeho hlavní vědecké zaměření bylo v oblasti kvantové mechaniky.
V roce 1965 získal Nobelovu cenu za fyziku za rozvoj kvantové
dynamiky. Stál u zrodu nanotechnologií a na jeho počest je
každoročně udělována Feynmanova cena za přínos v tomto oboru.
O dvacet let později na tyto názory navázal K. E. Drexler. Ve svém článku o
molekulárním inženýrství předložil představu výroby molekulárních zařízení, jejichž základní stavební kameny by tvořily proteiny. Termín nanotechnologie byl poprvé použit
v roce 1974 Taniguchim v souvislosti s výrobními způsoby, jimiž lze vyrobit součástky
s přesností jednotek nanometrů. Ve druhé polovině 20. století probíhaly výzkumy
orientované na poznání způsobů jakými příroda vytváří rozmanité struktury, tedy na jevy
probíhající na atomové a molekulární úrovni.
Významnou událostí se stal objev nových přístrojů na pozorování a manipulaci s
jednotlivými atomy - tzv. rastrovací tunelový mikroskop (STM) a mikroskop atomárních
sil (AFM), které patří do skupiny metod označovaných souhrnně jako "Mikroskopie
skenující sondou“ (SPM).
Na obr. 1 je uvedeno schéma STM mikroskopu. Jeho konstruktéry byli v roce 1981
pracovníci firmy IBM v Curychu, Gerd Binnig a Heinrich Rohrer. V roce 1986 získali za
svůj objev Nobelovu cenu. STM se skládá z mechanické části tvořené stolkem s
polohovacím zařízením umožňující prostorový pohyb (ve třech směrech) a nosníku s
hrotem. Elektrická část tvoří zdroj napájení, zařízení pro řízení zpětné vazby, sběr signálu
a ovládání pohybu. Vnější část mikroskopu je vybavena zařízením k tlumení
mechanických vibrací. Činnost mikroskopu je založena na tunelovém jevu, ke kterému
dochází mezi hrotem a povrchem. Hrot je přitom tvořen jediným atomem. Další zařízení
z roku 1986, mikroskop atomárních sil (AFM), již nevyžaduje vodivý hrot ani vzorek.
Toho lze využít k analýze polovodivých a nevodivých látek. Pohyb hrotu je zpravidla
detekován laserem.
Gerd Karl Binnig (1947), německý fyzik a nositel Nobelovy ceny za
fyziku v roce 1986 za vytvoření prototypu tunelového mikroskopu (STM)
ve spolupráci s Heinrichem Rohrerem. Od roku 1978 je členem
výzkumné laboratoře firmy IBM ve Švýcarsku.
Heinrich Rohrer (1933), švýcarský fyzik a nositel Nobelovy ceny za
fyziku 1986 (spolupráce s Binnigem). Věnoval se výzkumu supravodičů,
od roku 1963 člen Výzkumné laboratoře IBM, kde se věnoval hlavně
studiu magnetických a kritických jevů.
Obr.1 Schéma uspořádání STM mikroskopu
V roce 1990 se podařilo vědeckému týmu společnosti IBM
vytvořit pomocí skenovacího tunelového mikroskopu logo
firmy na niklový 100 nm velký plát 35 izolovanými atomy
xenonu.
Aplikace nanotechnologií
Nanotechnologický výzkum se dá rozdělit do několika základních oblastí:
• Materiálové inženýrství
Zde patří především výzkum a vývoj nových druhů materiálů. V současné době se
jedná o nejvíc rozvíjející se oblast nanotechnologií. Některé výsledky základního
výzkumu již opustily laboratoře a uplatňují se v praxi (např. nanotextilie s velmi dobrými
filtračními vlastnostmi, které se uplatní především v lékařství, antibakteriální a fungicidní
ponožky s nanočásticemi stříbra). Nanočástice (zejména Fe2O3) mají uplatnění prakticky
ve všech oborech od lékařství (např. nové filtrační metody, detoxikace tekutin a krve,
kontrastní činidla pro metody vyšetřování magnetickou rezonancí), chemický průmysl
(např.katalyzátory chemických reakcí), přes automobilový průmysl (např.zpevnění
pneumatik, vylepšení airbagů) a technický průmysl (např. nanopigmenty do
průmyslových barviv, přísady do barevných skel, přísady do kosmetických přípravků
s UV flitry, počítačové paměti, magnetická záznamová média, laky s reflexními
vlastnostmi, otěruvzdorné nanovrstvy) až po ochranu životního prostředí (např.čištění
podzemních vod, detoxikace území)• Nanobiotechnologie (aplikace v medicíně)
Zde se jedná zejména o nové diagnostické metody (např. použití fluorecsenčních
částic pro odhalení nádoru, analýza genetických a infekčních chorob, výzkum léčiv, užití
magnetických nanočástic k urychlení separace a zlepšení rozlišitelnosti při analýze tělních
tekutin). Dalšími oblastmi zájmu jsou cílené dopravy léků, nové metody likvidace
nádorových onemocnění či molekulární analýza.
• Informační technologie (nanooptika, nanoelektronika)
Informační technologie patří k rychle rozvíjející se oblasti nanotechnologií. V
nanoelektronice se výzkum soustřeďuje na tvorbu nových typů tranzistorů či čtecích hlav
harddisků, které mají větší kapacitu i výkonnost. Nejvýznamnějším objevem v této oblasti
jsou tzv. fullereny nebo uhlíkové trubičky. Mají vynikající vlastnosti jako je tvrdost (větší
než u diamantu), supravodivost či magnetické chování. Nanotrubičky tvoří základ pro
novou generaci tranzistorů, displejů či procesorů. První krůčky ke kvantovým počítačům
představují kvantové tečky. Jsou to ohraničené oblasti polovodiče o rozměrech 30 nm.
Používají se ve speciálních součástkách pracujících s jednotlivými elektrony či fotony
(např. jednofotonová LED dioda, jednofotonový QDFET tranzistor), jenž nalezly
uplatnění v kvantové kryptografii (odvětví moderní informatiky zabývající se ochranou
komunikace).
Zdravotní a ekologické aspekty nanotechnologie
V případě nanotechnolgií se nesmí opomenout možné negativní důsledky jak na
životní prostředí (např.toxicita volných nanočásti), tak i možné ohrožení zdraví člověka
(např. bioimplantáty, tkáňové inženýrství). Výzkum nanotechnologií probíhá ve všech
průmyslově vyspělých zemích (zejména USA,EU, Japonsko). Nanotechnologický
výzkum je teprve na začátku svého dlouhodobého vývoje. V blízké budoucnosti se bude
nejvíce rozvíjet a uplatňovat především v oblasti materiálů, informační a komunikační
technologií, energetice, péči o zdraví a životní prostředí. Zdá se, že nanotechnologie
jednou velmi významně pozitivně ovlivní všechny oblasti lidské činnosti.